Joe DeRisi：利用病毒篩檢解決醫學謎團

我們該如何研究 這些在我們四周的病毒，以解決它們造成的健康問題？ 我們要如何將累積許久的病毒學知識 轉化成簡單的掌上型單一檢驗法？ 我希望能將我們現在對檢驗病毒 及生活中各種病毒基因的所有了解 轉變成一個小小的晶片。

當我們開始思索這個計畫─ 也就是我們要發展能同時偵測 所有病原體的單一檢驗法─ 這個想法遇到了一些問題。 首先，病毒很複雜， 但他們卻也進化得非常快速。 這是小核醣酸病毒。 它們會造成 感冒、小兒麻痺這類傳染病。 你現在看到的是病毒的外鞘， 黃色區域演化得 非常、非常快， 而藍色區域則沒有那麼快。 當我們想製造全病毒偵測試劑時， 病毒的快速演化是一個棘手問題， 原因是我們要怎麼檢驗一個不斷在改變的東西呢？ 但是演化是一種平衡： 在某段基因序列快速改變的同時，也有序列超級保守─ 幾乎不怎麼改變。

我將提供各位一些數據， 讓大家再仔細研究一下。 結果都是各位可以利用桌上型電腦自行計算得來。 我分析了幾種小核醣酸病毒的基因， 像是感冒病毒、小兒麻痺病毒之類的， 將它們分割成小片段， 這是第一個例子：克沙奇病毒 將其基因分割成幾個小片段。 如果別種病毒跟克沙奇的 某段基因序列一樣的話我就把這段基因 染成藍色。 像這邊這個序列─ 這序列並不會轉譯成蛋白質喔─ 在所有病毒裡幾乎都是一樣的， 所以，我可以將這個序列當成標記 用來偵測許多不同的病毒， 而不需要製造一些個別的序列。 這裡，是歧異度高的序列： 也就是快速演化的序列。 這裡，則是演化較慢的序列，歧異度較低。

現在，我們來看看 急性蜜蜂麻痺病毒─ 如果你是一隻蜜蜂你應該不想得到─ 這種病毒一點也不像克沙奇病毒， 但我跟妳保證，這隻病毒基因序列的 保留區段，也就是螢幕右端這邊 跟這裡的克沙奇病毒基因序列一樣。 所以，我們可以擷取這些在演化時不變動的 超級保守區段 ─ 這些病毒如何演化 ─ 將其中的DNA或RNA片段 放在我們的晶片上當作檢驗試劑。

好，這就是我們的成果，可是我們下一步該怎麼做呢？ 很久以前，當我還在念研究所時， 曾有一段時間忙亂地製作DNA晶片─ 也就是，把DNA印在玻璃上。 就像你見到的這樣： 這些似鹽的小顆粒，就是印在玻璃上的DNA， 我可以將數以千計的DNA碎片印上去 用來當作檢驗試劑。 把我們的晶片拿到HP去 用他們的原子力顯微鏡觀察晶片上的一點， 你會看到： 在玻璃上見到一層薄薄鍍上的DNA部分。 我們所做的就是，把DNA印到玻璃上 -- 而病原體的標記，就會是這薄薄一層DNA。 我在實驗室做了一個小機器人來製造這些晶片， 我實在太喜歡散播科技新知了。 如果你有錢買Toyota Camry， 你也能做一台DNA印表機， 我們把機器人的製作詳解放上網路，完全免費， 零件都是些市面上買的東西 -- 你可以在自家車庫做一個DNA印表機。 這是最重要的緊急停止開關。 （笑） 每一台重要的機器都得有個大紅按鈕。 說真的，這是一台美麗的機器。 你也可以在自家車庫製造DNA晶片， 快速的執行一些基因解碼計畫。這個很好玩。 （笑）

我們所做的 -- 這是個很酷的計畫 -- 我們才剛剛開始製造呼吸道疾病相關病毒的晶片。 我說就是為了那些， 當你上診所看醫生， 卻沒有確切診斷的情況。 所以我們把所有人類呼吸道疾病相關病毒的序列 放上晶片，然後用單純皰疹病毒測試 -- 為何不呢？ 當科學家，首先要做的是， 確定主意行得通。 所以我們培養了一些細胞 以各種病毒感染， 再用螢光標定核酸， 也就是那些培養的細胞釋出的基因物質 -- 其中大部分的是病毒 -- 將這些核酸片段放上晶片。 如果DNA序列相合，兩者就會相黏， 這時我們可以觀察螢光分布。 晶片上的螢光點，就代表某病毒的存在。

這是晶片實際的樣子， 這些紅點實際上就代表病毒訊號。 每一個點是不同的病毒家族 或是病毒種類。 因為這樣不太容易觀察， 所以我將結果用小條碼表示， 將病毒各家族分類，以較直觀的方式呈現。 我們把培養的細胞 以腺病毒感染， 你就會在腺病毒旁看到黃色小條碼。 同理，我們以副流感病毒三型感染細胞 -- 這是一種副黏液病毒 -- 小條碼在這裡。 我們也試過呼吸道融合瘤病毒。 這種病毒在養護中心大規模傳染 -- 它就像是充斥於血液中的鼻屎一般。 （笑） 你可能注意到，這個條碼跟造成嚴重感冒的 副流感病毒三型屬同一家族， 但兩者不太一樣。 這讓我們有每一種病毒的獨特標識，就像指紋一般。 小兒麻痺病毒跟鼻病毒同屬一個家族，非常接近。 後者造成感冒，而你們都知道小兒麻痺是甚麼， 你可以看到，它們的標識不太一樣。 這是卡波西氏肉瘤病毒 它們提供了清晰的標識。 所以，這不是一個只會告訴我 這是哪一種病毒的條紋； 而是一個可以表達病毒全貌的條碼。

好吧，我看到鼻病毒 -- 這裡是鼻病毒的小條碼 -- 但是鼻病毒有許多亞型 我怎麼知道我得了哪一種？ 以知約有102種病毒會造成普通感冒， 只有102種是因為人們懶得再增加感冒病毒的名單長度了： 每一年我們都會發現新種感冒病毒。 這裡有四種不同的鼻病毒， 你看，單純只靠肉眼， 即使沒有高科技的電腦軟體 計算模式跟配對， 你也可以分辨出每一組條碼。

現在，這是個便宜的診斷方法， 因為我知道所有鼻病毒的基因序列， 所以我設計了可以分辨 這些不同鼻病毒的晶片， 但那些不知道序列的鼻病毒該怎麼辦呢？ 我們不知道它們的序列，就先擱置它們。 這是四種鼻病毒 我們對它們一無所知 -- 沒人知道它們的序列 -- 而你可見 它們的樣本仍獨特可辨。 你或許想到了，我們可以設個資料庫， 包含絕大多數病毒的實際或虛擬指紋。 這就跟囊中取物一樣容易，對吧？ 你培植的細胞裡頭有一大堆病毒。 但在人身上的真實情況呢？ 你大概已經知道，我們不能控制真人。 我們不知道人們會把甚麼咳進樣本杯裡， 情況大概會很複雜吧？ 可能會有很多細菌，或超過一種以上的病毒， 當然還會有宿主的基因物質， 我們該怎樣處理這樣的情況？ 這時該怎麼設計陽性對照組？

這個頗容易。 這是我，在接受鼻灌洗。 這個概念是，我們在人體接種病毒， 這個實驗是醫學研究倫理委員會核准的；岔題一下，他們有領薪水。 這個實驗是：我們實驗在人體接種 一般感冒病毒。 但，更好的方法是，我們從 急診室收集病人 -- 那些病原不明，社區型呼吸道感染的病人。 你不知道誰會走過急診室那扇門。 從陽性對照組開始， 我們知道他們原本是健康的。 我們把病毒打進鼻子裡， 看看會如何。

實驗剛開始：甚麼都沒發生。 受試者很健康，沒有受感染 -- 這真是神奇。 其實，我們以為這時鼻腔應該充滿病毒了 即使你是健步如飛的健康人士。 鼻腔很乾淨。如果你是健康的，實際上也相當健康。 第二天：樣本出現大量鼻病毒的指紋， 跟我們在實驗室裡收集的 含病毒的細胞一樣。 真好，正如我們說過，是個便宜的解法，對吧？ 我們讓這傢伙的鼻腔裡都是病毒了。所以 -- （笑） 我是說，我們希望實驗成功。我是說，這傢伙感冒了。 那麼，那些從大街上進來的人呢？

這是兩位不知名實驗者的病毒指紋。 他們都有鼻病毒，其指紋卻跟實驗室的病毒株不同。 我們分析了病毒的基因序列； 發現他們身上的病毒是新品種。 記住，我們使用在演化過程中恆定的保留序列 來進行檢測，這讓我們得以 找到新種或未分析過的病毒， 這都是因為我們選擇保留序列的緣故。 這是另一個受試者。你也可以自己玩檢驗遊戲。 這些不同的指紋群代表 副黏膜病毒家族裡不同的病毒株， 你可以分析這些指紋組 看看是哪些你認識的病毒。 嗯，沒有犬瘟熱，還不錯。 （笑） 但是當你分析到第九組， 你看到呼吸道融合瘤病毒。 這表示病人可能有小孩。同時你得知， 病原是呼吸道融合瘤病毒B亞群。 所以，這個很不錯。 這是另一個病人，在兩個不同的診次 -- 收集了兩次樣本。 他感染了副流感病毒第一型， 樣本中也有微量仙台病毒的指紋： 這是老鼠身上的副流感病毒。 這兩種病毒的基因很接近。很有趣吧！

於是，我們製造了晶片。 晶片上有所有已經被發現的病毒基因片斷。 那麼，何不也來做所有的植物病毒、昆蟲病毒、海水病毒的晶片。 反正相關資訊都在GenBank -- 也就是基因序列的國家型資料庫裡頭了。 既然我們手上有晶片，能用它來幹嘛？ 首先，當我們有像這樣的大晶片時， 還需要一些其他的資訊， 來設計能夠進行自動診斷的系統。 我們只有虛擬的樣本 -- 因為我們從來就無法收集所有病毒的樣本； 就算如此，我們還是能得到虛擬的樣本， 將之與觀察到的結果比較， 因為是複雜的混合物，我們能計算出 代表樣本含鼻病毒或是其他病毒可能性的分數。 看起來就像這樣。 舉例來說，你用被 乳突病毒感染的細胞， 得到這樣的數據， 而我們的程式說它可能是第十八型。 這也的確是實驗室裡的細胞 感染的病毒亞型。

我們來做個難一點的實驗 在診間裡放個傳呼機。 在醫院無法做出診斷，不知道要對病人 做甚麼處置時，他們會聯繫我們。 計畫是：我們在灣區設置這個系統。 這是三周前的病例。 有個28歲的健康女性， 【不清楚】，無外出旅遊記錄，不菸，不酒。 發燒、夜間盜汗、痰中有血，也就是咳血、 肌肉痛，長達十天。 她就醫求助，拿了抗生素， 然後回家。 十天後她又回來，仍在發燒 -- 而且缺氧 -- 她的肺部含氧量低。 他們為她照了電腦斷層掃描。 正常的肺應該略為色暗或呈黑色。 但是她的卻是白色，狀況不妙。 影像中的枝狀和芽狀散佈表示肺部發炎； 有可能是感染。 於是，病人開始接受抗生素治療 包括第三代頭孢霉素，還有多西環素， 到第三天仍沒有起色，她出現急性呼吸衰竭的症狀。 醫生得為她插管， 接上呼吸器。 她無法自主呼吸。 然後呢？不知道。 改抗生素，於是醫生改用其他抗生素， 用特敏福，而 -- 他們卻不太清楚為什麼醫生認為她得了感冒 -- 但仍使轉用特敏福。

第六天，他們認輸。 在別無選擇的狀況下，開胸取活組織组樣本檢查。 手術的致命率為百分之八， 大體上，他們因此得到什麼？ 你們看到的是她的開胸活組織樣本。 我不是病理學家，但從這個你也看不出來甚麼。 唯一能辨別的就是：有很多腫脹、支氣管炎。 病理學家的報告沒甚麼新發現。 既然如此，他們檢驗了她什麼？ 當然，他們有自己的檢查， 超過七十種不同的方法， 所有能在市面上找到的 細菌、黴菌、病毒測試： 包括非典型病毒、間質肺炎病毒、愛滋病毒、呼吸融合瘤病毒 -- 等等。 檢查結果都是陰性，花了十萬多美金。 我是說，醫生為了她已經盡了一切努力。

直到第八天，院方連繫我們。 給我們病人氣管內的抽取物 -- 也就是在喉嚨裡放根管子， 抽取喉嚨裡少少的液體。 我們將樣本放上晶片，觀察到的是：副流感病毒第四型。 這個副流感病毒第四型是甚麼鬼東西？ 沒有人測過這隻病毒，沒人想到過它。 事實上，我們甚至連病毒的完整序都沒有。 只有一小段序列。 也沒甚麼流行病學研究過它。 沒有人想過它， 因為沒人有證據證明，這病毒會造成呼吸衰竭。 為什麼？只有口頭知識，卻沒有數據 -- 沒有數據證明這種病毒會造成嚴重或輕微的疾病。 顯然，我們手上有個正在失去生命的健康人。

這是個病例報告。 最後兩分鐘，告訴大家一個 還沒有發表的研究：論文明天才會出來 -- 這個有趣例子告訴我們，我們可以如何使用晶片 來發現新事物、打開新知之門。 攝護腺癌 / 前列腺癌。我不需要報告太多關於 攝護腺癌的統計，你們大部分都很清楚： （攝護腺癌）在美國癌症死亡率中排名第三。 有許多致病風險， 其中一項引致攝護腺癌的成因為基因傾向。 大概有一成的攝護腺癌病人， 帶著這種傾向的基因。 相關研究中找到的第一個早期攝護腺癌 致癌基因，叫做RNASEL。 這是甚麼？是一種對抗病毒感染的酵素。 於是我們坐下思考， 為什麼一個人，帶著有缺陷的 抗病毒感染系統，會得攝護腺癌？ 這一點道理也沒有。除非，可能，病毒會造成攝護腺癌。

於是，我們把腫瘤 -- 現在我們有至少一百個腫瘤 -- 的基因放到晶片上。 我們知道誰有RNASEL缺陷，誰沒有。 我現在把晶片所傳達的訊息展示出來， 還有這個代表反轉錄病毒引子的區塊。 而這個訊息告訴我們， 帶著抗病毒系統變異、 具攝護腺癌的男性，通常 -- 其中四成 -- 帶有新種逆轉濾過性病毒特徵。 很出乎意料吧？這到底是什麼？ 於是，我們複製了整個病毒。 首先，一個小小的自動預測告訴我們 這隻病毒非常接近老鼠病毒。 但這不能告訴我們甚麼， 所以我們實質上複製了整個病毒。 而我在這裡展出的病毒染色體序列 是典型的γ逆轉錄病毒屬，但它是全新的， 從來沒有人發現過它。 事實上，最接近的親屬是，老鼠的逆轉錄病毒， 所以我們將之命名為異嗜性逆轉錄病毒， 因為它感染了除老鼠以外的物種。 這是它的小演化樹， 可見這隻新病毒跟其他病毒的親緣關係。 我們已經分析過許多病人， 發現這些全部都是獨立感染。 他們都被同一種病毒感染， 但他們不同處多到我們有理由相信 他們都是獨立感染。 病毒真的存在於組織中嗎？我以此作結。是的。 我們切片了許多腫瘤活組織 利用試劑來找出病毒的位置， 而我們發現這裡的細胞帶有病毒顆粒。 這些病人身上的確有這種病毒。

病毒會引致攝護腺癌嗎？ 我手上的資料並沒有顯示其中的因果關係。我不知道。 它們跟癌變有關嗎？我不知道。 還是只是這些病人容易被病毒感染？ 可能吧。病毒也可能跟癌症一點關係都沒有。 但這是一扇門。 我們找到病毒表現和基因突變 跟癌症間的強烈關聯性。 這就是我們目前的研究進度。 不過，我恐怕，研究提供的問題比解答還多， 但，這也是科學擅長的東西。 這些研究是實驗室同仁共同努力的結果， 我無法獨享榮耀。 這是我跟Don合作的研究成果。 這位在我的實驗室開始這個計畫， 而這位一直進行攝護腺癌的研究。 非常謝謝各位。